ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

Измерение влагосодержания

Влага является одним из обязательных компонентов всех живых организмов на земле, окружающей нас био­сферы, а" также большинства материалов, используемых человеком. Содержание влаги в окружающей среде ока­зывает влияние на характер и интенсивность происхо­дящих в живых объектах биохимических и физико-хи­мических процессов. От влажности зависят физические, химические, механические и технологические свойства значительной части неметаллических материалов. Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйст­ве, энергетике и строительстве применяются процессы сушки и увлажнения, предназначенные для изменения влажности материалов. Поэтому количественное опреде­ление влажности твердых материалов, жидкостей и газов необходимо почти во всех отраслях народного хозяйства, в метеорологии, в научных исследованиях, связанных со многими областями знаний.

В сельском хозяйстве влажность почвы обусловлива­ет целесообразность применения тех или иных агротех­нических приемов. Полевые агрономические исследова­ния пахотного слоя почв нужны для правильного опре­деления сроков начала пахоты, внесения удобрений. Контроль влажности почв необходим для правильного ведения орошения земель — определения сроков и про­должительности поливов, управления автоматизирован­ными оросительными системами. Влажность зерна, та­бачных листьев, хлопка и других сельскохозяйственных продуктов является одним из основных факторов, опре­деляющих возможность длительного хранения без пор­чи и потерь этих материалов. Всхожесть семенных ма­териалов в большой мере зависит от их влажности в про­цессе хранения. При переработке зерна от его влажно­сти зависят сопротивление измельчению и, следователь­но, удельный расход энергии и производительность мель­ничного оборудования. Величина влажности зерна и дру­гих сельскохозяйственных продуктов учитывается при сдаче и приемке, так как от нее зависит их чистый вес, т. е. действительная стоимость.

В строительстве от влажности зависят основные свой­ства строительных материалов, теплофизические, тепло­защитные и прочностные характеристики строительных сооружений, конструкций и ограждений и, следователь­но, их долговечность, надежность и эксплуатационные качества.

В промышленности влажность сырья и полуфабрика­тов оказывает большое влияние на качество продукции и производительность оборудования. В ряде отраслей промышленности (текстильной, легкой, пищевой, химиче­ской и др.) основные технологические процессы тесно связаны с изменениями влажности обрабатываемых ма­териалов.

При исследовании материалов органического проис­хождения (древесина и другие растительные материа­лы, животное сырье) контроль влажности необходим по­чти на всех этапах технологического процесса: при хра­нении, сдаче-приемке и транспортировке сырья и гото­вой продукции.

Важнейшее практическое значение имеет измерение влагосодержания неводных жидкостей — углеводородов, растительных и минеральных масел, нефтей и нефтепро­дуктов, авиационных и ракетных топлив. Контроль влаж­ности нефти необходим в процессах ее добычи, хранения, транспортировки и переработки. Информация о содер­жании пластовой воды в сырой нефти нужна для управ­ления процессами ее откачки. В топливах для реактив­ных двигателей содержание влаги не должно превышать тысячных долей процента во избежание опасностей, свя­занных с образованием льда в коммуникациях двига­теля.

Необходимость контроля влагосодержания жидких топлив для ракет, содержащих сильные окислители [JI. 2-1], вызвана опасностью коррозии деталей, сопри­касающихся с топливом. Аналогичные ограничения пре­дельного допустимого влагосодержания действительны и для хладагентов современных холодильных установок.

Весьма разнообразны задачи, связанные с измерения­ми влажности воздуха, газов и газовых смесей. Влага во всех трех формах является одной из наиболее важ­ных составных частей земной атмосферы, причем ее со­держание изменяется в широких пределах во времени и пространстве. Содержание водяного тіара в приземном слое атмосферы — это один из важнейших метеорологи­ческих элементов (параметров состояния) атмосферного воздуха, которые измеряются сетью станций гидрометео­рологической службы. Для прогнозирования погоды и изучения путей воздействия, на климат необходима так­же информация о влагосодержании верхних слоев атмо­сферы и о вертикальном распределении (вертикальных профилях) водяного пара.

Влажность воздуха является одним из основных тех­нологических параметров в установках кондиционирова­ния воздуха, вентиляционных, сушильных и холодиль­ных. В жилых и производственных помещениях и в обще­ственных зданиях влажность воздуха — это один из фак­торов, определяющих самочувствие человека и условия комфорта для него. Регулирование влажности воздуха (наряду с другими его параметрами) необходимо во всех установках для создания искусственного климата, начиная с лабораторных камер-гигростатов вплоть до современных фитотронов, а также в книгохранилищах, музеях — для создания оптимальных условий хранения книг и экспонатов.

В промышленности актуальны задачи контроля и ре­гулирования влажности воздуха в складских и производ­ственных помещениях, связанных с гигроскопическим сырьем, полуфабрикатами и готовыми изделиями (пище­вая, текстильная, бумажная, полиграфическая, кино-фо­томатериалов и др. отрасли промышленности), на неко­торых машино - и приборостроительных предприятиях (для предотвращения коррозии изделий, создания необ­ходимых условий при сборке и испытаниях приборов), в промышленности полупроводниковых материалов и приборов, электронной и т. д. Поддержание определен­ной влажности необходимо в ряде биологических процес­сов (например, в микробиологической промышленности, в процессах ферментации табака). Аналогичные задачи возникают и в сельском хозяйстве — при выращивании растений в закрытом грунте (теплицы, оранжереи), в животноводстве и птицеводстве — в инкубаторах и по­мещениях для содержания скота, продуктивность кото­рого зависит от влажности окружающего воздуха, в зер­нохранилищах и помещениях для хранения и дозревания овощей и фруктов.

Технологические процессы химической промышленно­сти выдвигают задачи контроля и регулирования влаго­содержания чистых газов: азота, водорода, кислорода, метана й др., во многих случаях необходимо контролиро­вать с большой точностью степень осушки воздуха и различных газов. Аналогичные задачи выдвигают совре­менные электровакуумная промышленность и металлур­гия (черная, цветная, в том числе редких металлов и по­лупроводников); в качестве примеров можно указать на контроль влажности доменного дутья и на контроль влажности водорода при производстве твердых сплавов. Влагосодержание водорода и других инертных газов доводится до ничтожно малых величин и в процессах термической обработки некоторых металлов и сплавов (термообработка >в контролируемых печных атмосфе­рах).

Общеизвестно влияние влажности газов, транспор­тируемых по газопроводам, на условия эксплуатации и коррозию трубопроводов. От влажности газообразного топлива зависит его теплотворная способность.

Не - менее обширен круг задач, связанных с измере­ниями влажности в научных исследованиях в самых раз­личных областях, как, например, медицина и биология, биохимия и физическая химия, физиология растений, ме­теорология и аэрология, почвоведение и агрохимия, теп - ло - и массообмен и ряд технических наук (теория и техника процессов сушки, гидрология, гидротехника и мелиорация, различные области строительства и т. д.).

Приведенный перечень далеко не исчерпывает всех применений измерений влажности в науке и технике и лишь характеризует обширную сферу применения этих измерений, с которой связаны следующие особенности:

А) большое научное, техническое и экономическое зна­чение для жизни общества этой отрасли измерительной техники;

Б) широкий диапазон задач и разнообразие требова­ний, предъявляемых к техническим средствам измерения влажности.

Экономический эффект, который может получить на­родное хозяйство от повсеместного и достаточно точного контроля влажности используемых материалов, воздуха и газов, чрезвычайно велик. Оценить его в денежном вы­ражении трудно, в частности потому, что в большинстве случаев экономия достигается в результате не самого получения информации о влажности, а целенаправленно­го использования этой информации.

В качестве основных источников экономии, обуслов­ленной получением информации о влажности или усо­вершенствованием этой информации, могут рассматри­ваться:

А) устранение или сокращение непроизводительных материальных потерь, обусловленных отсутствием ин­формации о влажности, ее неточностью или несвоевре­менным получением. Сюда относятся потери от порчи зерна, хлопка и других сельскохозяйственных продук­тов, а также материалов других видов (например, угля) в процессе их хранения и переработки,- потери от корро­зии металлов, от уменьшения теплотворной способности топлив (твердых, жидких и газовых). Существенную эко­номию дает устранение транспортирования воды вместо сухого продукта, особенно при перевозке массовых гру­зов (зерно, уголь, руда, нефтепродукты, строительные материалы). Определенный эффект связан также с лик­видацией аварий и отказов оборудования при транспор­тировании газового топлива и использовании жидких (авиационных) топлив. Некоторые цифровые данные, характеризующие указанные источники экономии в мас­штабах СССР, приведены в {Л. В-1 и В-2];

Б) улучшение технико-экономических показателей производственных процессов, для которых влажность (обрабатываемого сырья, продукции, используемой или окружающей жидкой или газовой среды) является су­щественным влияющим параметром. В таких процессах контроль и в первую очередь автоматическое регулиро­вание влажности позволяют повысить качество продук­ции и производительность оборудования, уменьшить рас­ход сырья, топлива и энергии, сократить брак и потери. Особенно большой эффект могут дать системы автома­тической оптимизации производственных процессов, ко­торые основаны на информации о влажности обрабаты­ваемого материала и на экономических или технико - экономических критериях оптимальности (максимизация производительности, минимизация стоимости продук­ции) ; такие системы были осуществлены в последние го­ды, в частности, для процессов сушки [Л. 0-1];

В) увеличение производительности труда благодаря регулированию влажности (наряду с другими парамет­рами) окружающего воздуха. К этому - следует добавить эффект от регулирования влажности воздуха в жилых и общественных помещениях,- в лечебных учреждениях, на транспорте («комфортное» кондиционирование воз­духа), который нельзя оценить в рублях, но значение которого для самочувствия и здоровья людей очевидно;

Г) замена ручных аналитических определений - влаж­ности, выполняемых в массовом масштабе целой арми­ей лаборантов, измерениями с помощью инструменталь­ных средств. Благодаря быстродействию и Другим досто­инствам последних 'достигается значительное сокраще­ние трудовых затрат, расхода энергии и т. п.; однако главным источником экономии является 'ВОЗМОЖНОСТЬ оперативного использования информации о влажности для воздействия на производственные процессы, а также выполнение измерений - в тех объектах, для которых при­менение лабораторных аналитических методов невоз­можно или вызывает большие затруднения.

Измерения влажности имеют многолетнюю историю. Устройства для количественной оценки влажности воз­духа появились уже в XV в., а создание волосного ги­грометра можно отнести к 1783 г. Аналитический способ определения влагосодержания твердых тел взвешивани­ем до и после высушивания образца применяется уже на протяжении многих десятилетий, кондуктометрический метод был предложен в начале двадцатого столетия, а диэлькометрический — примерно в 1928 г.

Однако в связи с научно-техническим прогрессом коренным образом изменились в последние десятилетия задачи измерений влажности и требования, предъявляе­мые к ним [JI. В-3].

Важнейшими из этих требований явились уменьше­ние длительности определения и возможность выполне­ния всех или основных операций измерения без участия человека, т. е. переход от ручного аналитического кон­троля к методам современной измерительной техники.

Влагомеры и гигрометры нашли применение в систе­мах управления и измерительно-информационных раз­личных отраслей промышленности, сельского хозяйства, строительства и в научных исследованиях, а гигромет­ры—также в дистанционных информационно-измери­тельных системах метеорологии и аэрологии. Автоматиче­ские метеорологические станции, радиозонды, самоле­ты— летающие лаборатории, метеорологические ракеты и спутники потребовали новых, более совершенных средств измерения влажности атмосферы. С этим связа­ны новые или повышенные качества, которыми должны обладать влагомеры и гигрометры и особенно их датчики как составные элементы автоматических систем: высокая надежность и связанное с ней минимальное количество движущихся частей, совершенные динамические харак­теристики, взаимозаменяемость, минимальные габариты и вес.

Метрологические требования не ограничиваются вы­сокой точностью и чувствительностью; характерными для измерений влажности являются чрезвычайно широкие диапазоны измерений, охватывающие несколько поряд­ков измеряемой величины. У влагомеров нижний предел измерений может исчисляться тысячными долями одного процента (влажность жидких углеводородов, топлив) или десятыми долями (алюмосиликатные катализаторы, пигменты, фторопласт и другие полимерные синтетиче­ские материалы); верхний предел может быть близок к 100%, например в растениях и других биологических объектах, содержащих воду в количестве 50—80% об­щей массы.

Измерения влагоеодержания газов необходимо вы­полнять в пределах от микроконцентраций — одной или нескольких миллионных долей (контроль влажности чи­стых газов, современные процессы синтеза полимеров) — до насыщения.

Для гигрометрии характерны изменения в широком диапазоне и других параметров объекта измерения — температуры, давления (для газов — от нескольких мил­лиметров ртутного столба до сотен атмосфер), наличия примесей и загрязнений.

Рассмотрим подробнее некоторые задачи измерений влажности, относящиеся к наиболее сложным:

А) Для научных исследований во многих областях, а также для решения некоторых практических задач не­обходимы локальные измерения влажности твердых тел или газов, т. е. получение информации не об интеграль­ных значениях влажности, а об ее распределении в от­дельных точках исследуемой среды.

Б) Измерение влажности воздуха и газов при низ­ких отрицательных температурах. Указанная задача — одна из наиболее сложных в метеорологии — сейчас актуальна - для холодильной промышленности и для ряда областей науки.

В) Контроль и регулирование влажности паровоз­душной смеси или газов при высоких температурах. Эта задача возникает в хлебопекарных печах и обжарочных камерах в пищевой промышленности, в промышленных печах, например в печах для закалки и обжига некото­рых качественных сталей, на тепловых электростанциях (контроль влажности дымовых газов) и т. д.

'В ряде случаев задача дополнительно усложняется наличием в контролируемой газовой среде значительно­го количества взвешенных частиц (например, контроль влажности дымовых газов для коптильных установок).

Г) Измерение влагосодержания газов, находящихся в замкнутых оболочках при высоких давлениях; в этих условиях необходимо учитывать влияние сжатия газа на его физические свойства, в частности на максимальную возможную упругость водяного пара.

Сложность и разнообразие задач делают весьма проблематичной 'Возможность создания универсального метода измерения влажности даже для тел одного агре­гатного состояния. Рассмотренные задачи невозможно решить с помощью традиционных методов и технических средств гигрометрии или аналитических определений влажности твердых материалов и жидкостей. Для их решения пришлось разработать новые (или привлечь известные в других областях) физические методы изме­рения, в частности основанные на использовании раз­личных участков спектра электромагнитных колеба­ний.

На рис. B-I приведены данные, иллюстрирующие ди­намику развития этих методов. Характерным является закономерный сдвиг - в направлении коротковолновой области спектра — тенденция, проявляющаяся и в дру­гих областях исследования состояния и состава веще­ства.

Создание и применение «инструментальных» методов оказали большое влияние «а теоретические основы и тех­нику измерений влажности. Эти измерения превратились в одну из областей современных измерений состава и свойств материала. Разработка и выпуск влагомеров и гигрометров представляет собой сейчас одну из отраслей аналитического приборостроения.

Для нее характерны направления развития, общие для 'современного приборостроения: миниатюризация, типовое проектирование на блочно-модульной базе

С применением интегральных цифровых и микромодуль­ных аналоговых элементов и главное— унификация и стандартизация средств измерения.

Высшей формой унификации и стандартизации в при­боростроении, основанной на системном подходе, являет­ся разработка агрегатных комплексов, в частности агре­гатного комплекса средств аналитической техники (АСАТ), который охваты­вает и средства измере­ния влажности.

Для анализа и синте­за влагомеров и гигро­метров удобно пользо­ваться обобщенной структурной схемой в ви­де последовательного соединения трех звеньев (рис. В-2) (Л. В-4]. Звено 1 описывает связь «состав — свойство», т. е. преобразование влагоеодержания W (оцениваемого одной из принятых единиц измерения)
в физическое свойство е контролируемого материала, используемое для измерения влажности. Характер вели­чины е зависит от принятого метода измерения, напри­мер: в электрических методах е может представлять со­бой вещественную и мнимую составляющие комплекс­ной диэлектрической проницаемости материала, в опти­ческих— оптическую плотность прошедшего или отра­женного излучения определенной длины волны и т. д. Указанное преобразование характеризует существую­щую в природе зависимость физических или физико-хи - мических свойств вещества от содержания влаги. Зве­но 2— первичный измерительный преобразователь, на выходе которого получают полезный выходной сигнал х, Удобный для дальнейшей обработки. Звено 3 соответст­вует измерительному устройству, сравнивающему вели­чину х с мерой этой величины и дающему выходной сиг­нал у прибора — отклонение стрелки указателя, унифи­цированный электрический или пневматический сигнал системы ГСП и т. п.

Возмущающими воздействиями являются: для зве­на 1—z, т. е. изменение состояния и свойств материала, помимо влажности (температура, плотность, химический ■состав); для звена 2— и, т. е. изменение условий изме­рения (частота электрического поля, масса образца и его положение); для звена 3 — помехи V, воздействующие на измерительное устройство.

В общем случае имеется несколько параметров Z, и, V, и их удобно считать координатами векторов (Z=Zi, Z-L, Zs, ..., Zn и т. д.); иногда это относится и к вели­чине е.

В структурных схемах реальных приборов для изме­рения влажности звенья 1, 2, 3 заменяются несколькими элементарными преобразователями с различными спосо­бами соединения.

Согласно схеме (рис. В-2) можно выделить две основные составные части влагомеров и гигрометров: датчик и измерительное устройство. Под датчиком под­разумевается конструктивная совокупность преобразова­телей 1 (в большинстве случаев этот преобразователь не реализуется в виде отдельного функционального элемен­та) и 2, устройств для введения в преобразователь исследуемого материала, его перемещения и выгрузки; а также дополнительных устройств для получения инфор­мации о значениях внешних влияющих воздействий z, и или для стабилизации и компенсации этих воздейст­вий.

В автоматических влагомерах и гигрометрах функ­ционирование (непрерывное или дискретное) датчика и измерительного устройства не требует участия человека. В неавтоматических приборах операции, необходимые для выполнения измерения, или их часть (загрузку и вы­грузку образца, уравновешивание измерительного устройства) выполняет оператор; эти приборы, как пра­вило, рассчитаны на дискретное действие.

Метрологическая и информационная оптимизация любого влагомера или гигрометра сводится к требова­нию наилучшего выделения полезного сигнала из его смеси с шумами.

Изменение выходного сигнала у (см. рис. В-2) опи­сывается уравнением

Dy^w+bdz+bdu+ba,. (в-1)

Назначением влагомера, как и любой информацион­ной системы, является наилучшее пропускание полезного сигнала (dyfdW)dW при максимальном подавлении по­мех, описываемых остальными составляющими правой части уравнения (В-1). Минимизация погрешности до­стигается при условии, что чувствительность влагомера к изменениям влажности Sw=dy/dW максимальна, а чувствительность к помехам Sn—dy/dz+dy/du+dy/dv Минимальна.

Список литературы, приведенный в конце книги, включает, кроме источников, относящихся к отдельным главам, также перечень основных работ, относящихся к теме книги в целом.